高强度钢加工硬质合金刀片粘结破损与刀-屑元素扩散实验研究.pdfVIP

高强度钢加工硬质合金刀片粘结破损与刀-屑元素扩散实验研

究

刘利;程耀楠;韩禹;徐明;王彤;严复钢

【摘要】针对筒节重型切削加工过程硬质合金刀片容易出现粘结破损问题,进行硬

质合金刀片粘结破损机理分析,并进行工件材料与刀片材料元素扩散实验研究.首先,

分析刀-屑粘结形成实质,并根据筒节重型切削加工条件和材料特性分析刀片粘结破

损形成条件;然后,分析硬质合金刀片粘结破损机理;进而,设计元素扩散实验方案,进

行高温条件下的元素扩散实验,对试块扩散剖面进行扩散元素分析;最后,分析扩散元

素的种类、扩散距离和扩散浓度,通过实验数据可以研究粘结层强度及其对刀片粘

结破损的影响.研究结果将为深入研究刀片粘结破损及刀片新材质开发提供一定的

依据.

【期刊名称】《哈尔滨理工大学学报》

【年(卷),期】2015(020)005

【总页数】5页(P46-50)

【关键词】粘结破损;元素扩散;高强度钢;硬质合金

【作者】刘利;程耀楠;韩禹;徐明;王彤;严复钢

【作者单位】哈尔滨理工大学机械动力工程学院,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理

工大学机械动力工程学院,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学机械动力工程学

院,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学机械动力工程学院,黑龙江哈尔滨

150080;哈尔滨理工大学机械动力工程学院,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大

学机械动力工程学院,黑龙江哈尔滨150080

【正文语种】中文

【中图分类】TG501

0引言

加氢反应器是炼油、煤液化生产中的关键装备，重量可达到数百吨甚至上千吨，是

由数段经过切削加工的筒节焊接而成的.加氢反应器是高温高压装置，筒节是加氢

反应器的关键零件，所以筒节材料采用抗拉强度特别高的耐热特种钢2.25Cr-1

Mo-0.25V钢［1-3］.并且其直径最大可达6.4m，最大高度达5.8m，是通过重

型车削锻造毛坯的方式制造的，筒节毛坯最大重量可达数百吨，并且锻件表面状态

非常恶劣，其表面有坑包型、沟槽型、褶皱型和夹砂等锻造缺陷.筒节荒加工时，

切削参数明显区别于普通切削过程，其切削加具有切削深度大(最大可达30mm

以上)、材料去除量大(最大可达50%)等特点，由于锻造缺陷的作用，切削深度是

不断变化的，甚至使切削处于断续切削的状态(筒节加工过程如图1所示).相对于普

通车削加工来讲，在工艺方面有很大的不同［4］.

图1筒节重型切削硬质合金刀片粘结破损

2.25Cr-1Mo-0.25V钢是低碳合金钢，具有很高的红硬性与热韧性等特性，其高

温力学性能明显高于普通碳素钢，这就进一步增加了锻件加工的难度［5］.并且，

切削时不易断屑，缠绕在刀片上的切屑容易破坏刀刃.在重型车削参数及工件材料

的难加工性的共同作用下，筒节锻件切削过程中切削力可达数吨，刀-屑接触界面

摩擦非常距离，切削温度可达1000℃，导致切削过程中硬质合金刀片失效非常严

重，刀片的粘结破损是筒节荒加工刀片的主要失效形式之一(如图1所示)，这严重

影响了刀片寿命和生产效率［6-7］.因此本文进行筒节重型切削过程中硬质合金刀

片粘结破损机理分析和刀片材料与工件材料的元素扩散实验研究，为深入研究刀片

的粘结失效提供依据.

1刀-屑粘结破损机理

粘结破损是刀片常见的磨损形式，在重型切削高强度钢过程中，刀片粘结失效更是

占有很大比例.研究刀片粘结现象本质以及粘结机理，有利减少刀片破损出现的频

率并进行工艺参数和刀片的优化，从而为重型切削刀片开发设计、提高其寿命及加

工效率打下基础.

1.1粘结形成实质

将图2(a)所示的刀片上粘结的切屑掰下，切屑并不是从刀-屑粘结界面分离，而是

带走了部分刀片材料，使刀片切削区域形成凹坑，如图2(b)所示.原因是刀-屑之间

形成了牢固的粘结，粘结部分强度已经超过切削区域硬质合金刀片内部材料的结合

强度.这种粘结现象与压力焊相似，即在一定的压力下，使切削区域的刀片材料与

工件材料紧密接触，在较高的温度和一定的时间条件下，双方材料元素发生扩散，

形成粘结.

图2刀－屑粘结形貌

1.2粘结破损机理分析

采用Deform-3D有限元仿真软件进行重型硬质合金刀片切削筒节材料仿真，切削

参数为vc=60m/min，ap=20mm，f=1.6mm/r.通过图3的仿真结果可知，仿

真过程中切削区域最高切削温度可达1000℃以上，切削